网络层是计算机网络体系结构中的核心层次，负责将数据包从源主机跨越多跳网络传送到目的主机。本复习笔记将系统梳理网络层的关键概念、协议与技术要点。
一、网络层核心功能与服务
网络层的主要功能包括：
- 路由选择：确定数据包从源到目的地的最佳路径，涉及路由算法（如距离向量、链路状态）和路由协议（如RIP, OSPF, BGP）。
- 分组转发：根据路由表将数据包从输入端口转移到合适的输出端口。
- 拥塞控制：防止网络因过载而导致性能下降，通过流量整形、调度算法等实现。
- 异构网络互联：通过IP协议实现不同物理网络的无缝连接。
二、IP协议与IP地址
- IPv4地址：32位地址，通常用点分十进制表示（如192.168.1.1）。分为A、B、C、D、E类，支持子网划分与CIDR（无类别域间路由）以提高地址利用率。
- IPv6地址：128位地址，解决IPv4地址耗尽问题，采用冒号分隔的十六进制表示，支持更高效的路由与安全性。
- IP数据报格式：包括首部（版本、长度、生存时间TTL、协议等字段）与数据部分。重点理解分片与重组机制。
三、重要协议与技术
- ARP（地址解析协议）：将IP地址映射为MAC地址，实现局域网内通信。
- ICMP（互联网控制报文协议）：用于网络诊断与错误报告，如ping和traceroute工具基于ICMP。
- 路由协议分类：
- 内部网关协议（IGP）：在自治系统内部使用，如RIP（基于距离向量）、OSPF（基于链路状态）。
- 外部网关协议（EGP）：用于自治系统间路由，主要是BGP。
- NAT（网络地址转换）：将私有IP地址转换为公有IP地址，缓解地址短缺并增强安全性。
四、关键算法与难点
- 路由算法：
- 距离向量算法（如RIP）：周期性交换路由表，可能遇到“计数到无穷”问题。
- 链路状态算法（如OSPF）：泛洪链路状态信息，每个路由器构建完整网络拓扑图，使用Dijkstra算法计算最短路径。
- 子网划分与超网：掌握根据需求计算子网掩码、网络地址、广播地址的方法。
- CIDR与路由聚合：通过前缀匹配实现高效路由。
五、典型问题与复习建议
- 计算题：IP子网划分、路由表查找、最短路径计算（Dijkstra算法）。
- 概念题：比较IPv4与IPv6、路由协议特点、NAT工作原理。
- 分析题：给定网络拓扑，分析数据包转发路径或路由协议交互过程。
复习提示：结合实验（如Wireshark抓包分析IP数据报、配置路由器）加深理解，重点掌握IP编址、路由原理与协议交互机制。网络层是承上启下的关键，扎实掌握可为传输层与应用层学习奠定基础。
